300 MW循环流化床锅炉改烧低灰分褐煤试验研究

陈卓卫，孙超凡，洪喜彬，邓剑华，彭泽宏，李德波

(1.广东粤电集团云河发电有限公司， 广东 云浮 527328；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院， 广东 广州 510080)



300 MW循环流化床锅炉改烧低灰分褐煤试验研究

陈卓卫1，孙超凡2，洪喜彬1，邓剑华2，彭泽宏2，李德波2

(1.广东粤电集团云河发电有限公司， 广东 云浮 527328；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院， 广东 广州 510080)

摘要：针对广东粤电集团云河发电有限公司5号、6号锅炉在改烧非设计煤种——低灰分印尼褐煤过程中，出现床温偏高、炉内温度分布不均、循环灰量不足，严重影响锅炉安全运行等问题，从调节入炉煤粒径、高压流化风风量、总风量、一次和二次风配比、上下二次风配比、床压等参数方面，开展了不同负荷工况的各种燃烧优化试验，有效地解决了锅炉由于改烧低灰分印尼褐煤所导致的一系列问题，使改烧低灰分印尼褐煤具有较可观的经济效益和推广应用前景。

关键词：循环流化床锅炉；燃烧优化；风量；印尼褐煤；低灰分；非设计煤种

广东粤电集团云河发电有限公司5号、6号锅炉系上海锅炉厂首批制造、具自主知识产权的SG-1036/17.5-M4506型循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉——单炉膛设计、整体采用M形布置，配置3台绝热式旋风分离器。为从源头降低燃料成本，电厂进行了纯烧非设计煤种——低灰分印尼褐煤的尝试。在改烧过程中，由于纯烧非设计煤种，锅炉出现了床温偏高、炉内温度分布不均、循环灰量不足等问题[1]，而且随着入炉煤灰分的降低，上述问题进一步加剧，严重影响了锅炉的安全运行和脱硝效果。为了解决锅炉运行中存在的上述问题，规范锅炉各项运行参数，确保锅炉安全可靠地运行，降低厂用电率，电厂在国内率先开展了300 MW循环流化床锅炉纯烧非设计煤种、低灰分印尼褐煤的试验研究工作。从调节入炉煤粒径、高压流化风风量、总风量、一次风与二次风配比、上二次风与下二次风配比、床压、给煤分布等参数着手[2-5]，开展了不同负荷工况燃烧优化试验，有效地解决了锅炉由于纯烧低灰分印尼褐煤导致的一系列问题。在优化燃烧的同时，降低了排烟氧量，使锅炉NOx排放浓度也有所下降[6-7]。从优化实践效果来看，国产300 MW CFB锅炉纯烧低灰分、非设计煤种——印尼褐煤具有较可观的经济效益和推广应用前景，对300 MW循环流化床锅炉安全运行、环保达标排放具有一定的参考价值。

1锅炉结构简介

1.1锅炉结构

5号、6号锅炉为亚临界、再热、单汽包自然循环、岛式布置、全钢架支吊的300 MW循环流化床锅炉。

锅炉采用高温绝热旋风分离器，运转层标高12.6 m，其本体钢架由三跨组成，依次布置炉膛、高温绝热旋风分离器、返料器和尾部烟道，整体呈左右对称布置，3个钢板绝热式旋风分离器布置在炉膛与后烟井之间。旋风分离器下部各布置1台非机械的U形回料器使物料流化返回炉膛。锅炉采用两次配风，一次风从炉膛底部一次风室、布风板及风帽进入炉膛，炉膛底部设有钢板式一次风室(内侧敷设有耐火浇注料)，悬挂在炉膛水冷壁下集箱上；二次风分别从燃烧室前墙锥体部分分上中下三层进入炉膛、从燃烧室后墙锥体部分分上下两层进入炉膛。在约880 ℃床温下，燃料和空气在炉膛密相区内混合，煤粒在流化状态下燃烧并释出热量，高温物料、烟气与水冷壁受热面进行热交换。烟气携带物料从炉膛上部后墙出口切向进入旋风分离器，进行烟气和固体颗粒分离，分离后洁净烟气由中心筒出来依次进入尾部烟道内的低温过热器(低温再热器)、省煤器和空气预热器，烟温降至约140 ℃排出锅炉；被分离器捕集下来的颗粒通过立管，由U形回料器及回料腿直接送回炉膛，实现循环燃烧。因此固体物料(灰、未燃尽碳)在循环回路反复循环燃烧，燃烧效率大大提高。底灰(大渣)通过炉膛底部的滚筒冷渣器冷却，温度降至150 ℃以后经刮板输渣机排出。

1.2低灰分非设计煤种褐煤煤质

2台300 MW CFB锅炉原设计燃烧烟煤，根据燃料市场变化，首先进行了褐煤掺烧试验工作[8]，褐煤掺烧是在单烧烟煤的基础上进行的一种初步尝试，可为燃料选择提供更广的空间，在源头上控制燃料成本。通过近2个月的掺烧试验后，又在2台CFB锅炉上进行了纯烧低灰分印尼褐煤的突破性试验研究工作[9]。设计煤种和褐煤煤质数据见表1和表2。

表1设计煤种煤质

名称设计煤种校核燃料1校核燃料2全水分war(M)/%4.2013.707.90空气干燥基水分wad(M)/%2.361.841.09灰分war(A)/%20.1517.1826.20干燥无灰基挥发分wdaf(V)/%34.1838.027.84低位发热量Qnet.ar/(MJ·kg-1)22.6921.2922.49war(C)/%542150845371war(H)/%60.3856.657.97war(O)/%3.263.563.16war(N)/%10.407.462.90war(S)/%0.710.811.07

注：war()为收到基某元素或组分的质量分数，下同。

表2褐煤煤质

名称大福星1306航次西佛诺斯1321航次全水分war(M)/%21.5516.06空气干燥基水分wad(M)/%43.638.5灰分war(A)/%4.484.28干燥无灰基挥发分wdaf(V)/%39.6241.36低位发热量Qnet.ar/(MJ·kg-1)14.3616.01war(C)/%20.0122.56war(H)/%12.8315.02war(O)/%25.526.88war(N)/%30683592war(S)/%0.080.12

1.3纯烧印尼褐煤出现的问题

一般来讲，褐煤具有灰分高、水分高、挥发分高、热值低、密度低及灰熔点低等特点。改烧纯印尼褐煤后(其煤质见表3)，由于印尼褐煤具有灰分低、热值高、水分高、挥发分高等特性，所以CFB锅炉建立灰循环较为困难，导致5号、6号锅炉出现了较多运行问题。因此有必要对锅炉运行参数进行必要的优化调整。

表3两种印尼褐煤煤质分析

名称印尼褐煤1印尼褐煤2全水分war(M)/%29.933.7空气干燥基水分wad(M)/%9.129.39灰分war(A)/%4.174.96干燥无灰基挥发分wdaf(V)/%53.2750.33低位发热量Qnet.ar/(MJ·kg-1)17.3415.82高位发热量Qgr.ar/(MJ·kg-1)18.6317.16war(C)/%47.7344.22war(H)/%2.942.76war(O)/%14.6013.48war(N)/%0.510.67war(S)/%0.150.21

经现场观察、分析和研究后，发现2台锅炉存在的主要问题如下：

a)床温偏高且炉温偏差大。锅炉设计平均床温为890 ℃，但改烧褐煤后平均床温为930～945 ℃，最高床温达960 ℃，且床温偏差较大，而褐煤的灰熔点软化温度(soft temperature, ST)为1 080～1 100 ℃，在此情况下，锅炉可能存在结焦。同时，炉膛中部温度为930 ℃，而炉顶温度为800～737 ℃，炉内温度偏差大。

b)一次风量偏大且风室漏渣。锅炉设计一次风量为38×104m3/h(标准状态下，下同)，一次、二次风量比为6∶4，满负荷时，实际运行一次风量为46×104m3/h，风帽及密相区磨损严重。180 MW以上负荷时，风室漏渣，致使床压与一次风量难以降低，风机电耗大。

c)燃煤形成的循环灰特性差。满负荷时炉膛中部压差为1.6～2.0 kPa。稀相区灰浓度达设计要求，但该煤种形成的循环灰特性差，大部分飞灰未参与循环，均匀炉膛上下床温的能力偏低，置换煤种后稀相区灰浓度下降，压差降至0.7 kPa，升负荷较困难。另外，由于燃煤灰分偏低，导致旋风分离器U形阀料位测点值也偏低。

依据上述分析判断，对锅炉相关运行参数进行了优化调整试验。

2优化调整控制措施和效果

2.1对入炉煤粒径进行优化调整

由于褐煤具有爆裂性好，燃烧后会迅速爆裂成更细的颗粒之特点，因此容易产生一些新问题，如：细颗粒物进入炉膛后，挥发分析出迅速，燃烧后床温偏高；过细的煤粉容易被迅速夹带出炉膛。如果布风不均匀，部分煤粉在稀相区未参与燃烧就被直接带出炉膛进入旋风分离器进一步参与燃烧，导致循环灰再燃烧现象的发生。

因此，根据印尼褐煤的煤质特性，首先对入炉煤粒径进行了优化调整，将入炉煤粒径调整到设备可调范围的最大值。调整结果表明，在增加入炉煤粒径后，炉膛稀相区压差有所提高，已建立起良好的灰平衡，使得炉内温度更加均匀，平均床温和炉内温差均有所下降。平均床温从940 ℃降至921 ℃，炉内温差由176 ℃降至136 ℃。不同负荷下，优化调整后床温变化趋势如图1和图2所示。

图1　调整后床温的变化情况(负荷为250 MW)

图2　调整后床温的变化情况(负荷为300 MW)

2.2一次、二次风量及床压优化调整试验

2.2.1一次风量的优化调整试验

若一次风过大，密相区的磨损将会成倍增长。因此，适当降低一次风的比例，既可有效减少磨损，也可降低风机电耗。在保持总风量不变的情况下，随着将一次风量由45.4×104m3/h降至40×104m3/h，平均床温和最高床温略有升高，但风机电流下降明显，在300 MW负荷工况下，调整后风机总电流较调整前降低了约10 A。根据实际床温情况，为安全起见，未继续进行一次风量减少试验，建议满负荷工况时保持一次风量不低于40×104m3/h。调整后风机总电流变化趋势如图3和图4所示。

图3　调整后单台风机总电流的变化情况(250 MW)

图4　调整后单台风机总电流的变化情况(300 MW)

2.2.2二次风量及一次、二次风配比优化调整试验

以配风优化达至燃烧优化为原则，分别进行了二次风量调整[10-11]、给煤方式、回料阀、 一次和二次风配比及上、下二次风比例等试验。通过优化调整，在负荷250 MW时，平均床温和最高床温均较调整前有所降低，降低幅度约10 ℃，且最高温度降至920 ℃以下。与优化前相比较，额定负荷时，平均床温基本无变化，最高床温略有下降，降幅约10 ℃，最高点床温不超过961 ℃。飞灰和底渣可燃物含量化验结果均小于2%。上、下二次风比例调整值见表4。

表4上、下二次风比例调整结果

内容不同负荷下的各种参数180MW250MW300MW炉膛负压/Pa100～200100～200100～200下二次风比例/%100100100油枪A-F风比例/%1010～1515～20上二次风比例/%103045

根据印尼褐煤高挥发分、高热值、低灰分等特性，要适当增大下二次风和总二次风比例，提供过渡区燃烧所需空气，同时降低床压。通过调整，床温有较明显好转，风机总电流也降低了约10 A。

经试验研究后认为，造成床温高和炉温偏差大的主要原因是稀相区差压低，需加强对流化风量的优化调整，包括减少回料阀上部喷嘴保护风和松动风。减少流化风(特别是上部喷嘴保护风)可防止其过大时从下降管反窜至中心筒，导致分离器效率下降，循环灰量和稀相区差压亦受影响。从运行实际情况来看，通过关闭上部喷嘴保护风、关小松动风，流化风母管压力变化很小，流化风量下降，流化风机总电流从40 A下降至37 A，分离器效率也有所上升，仍能稳定运行。此时，分离器内料位差增加，炉温偏差下降，床温也有所降低。风机平均总电流在250 MW时降低了约50 A，300 MW时降低了约30 A，节能明显。

2.2.3床压区间值测试

从实际测试可以发现，降低CFB锅炉床压对降低风机电流有较明显作用，但同时会导致床温升高，不利于NOx排放控制。床压过高，会加剧锅炉壁面磨损，并使风机出力增大。现场对锅炉床压区间值测试结果表明，5号、6号锅炉运行床压最佳区间值为9.5～10 kPa。

3结束语

通过对5号、6号锅炉入炉煤粒径、一次和二次风量配比的合理控制和分配，可提高床层颗粒粒径均匀性，有利于控制床温和NOx排放浓度。2台锅炉改烧低灰分、非设计煤种——印尼褐煤的试验证明，通过优化燃烧方式，可以保证锅炉安全、稳定、高效运行，扩展了CFB锅炉对煤种的适应性，并取得如下的试验研究成果：

a)试验调整后，床压下降，导致一次、二次风机电流降低，厂用电率下降，飞灰可燃物含量下降。 负荷低于250 MW时，随着床压的降低，炉内循环物料量减少，循环灰带走热量能力下降，床温升高，更有利于飞灰及底渣燃尽，同时可保证单点床温不超过960 ℃。

b)燃烧优化调整后，平均床温降低了20 ℃，并稳定维持在920 ℃，最高床温低于960 ℃，降低了炉膛和循环回路结焦风险，有利于NOx达标排放。满负荷(300 MW)时，一次风量达到46×104m3/h，风室不漏渣，上层平均床温低于920 ℃。

c)当燃用灰分小于5%、灰熔点ST仅为1 110 ℃的印尼褐煤时，经燃烧调整后也能保证稀相区压差维持在1.6～2.0 kPa，床温适宜，结焦风险低，带负荷能力强。

d)随着入炉煤粒径的增大，炉内温差显著下降，床温也有所降低。当燃烧印尼褐煤时，建议将细碎机的间隙调整为18 mm，振动筛的间隙调整为24 mm，使入炉煤粒径(中位径)保持在3 mm左右。

e)锅炉燃烧氧量控制在2%～3.5%范围时，有利于控制NOx排放浓度，也有利于提高锅炉燃烧效率。

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LI Debo, SUN Chaofan, PENG Zehong. Research Development of Numerical Simulation Method for Overall Thermal State of Circulating Fluidized Bed[J].Guangdong Electric Power, 2015, 28(4)：1-6.

陈卓卫(1970)，男，广东罗定人。工程师，工学学士，主要从事循环流化床锅炉运行、试验工作。

孙超凡(1965)，男，江西抚州人。高级工程师，工学硕士，主要从事循环流化床锅炉研究、调试及试验工作。

洪喜彬(1980)，男，广东揭阳人。技师，工学学士，主要从事循环流化床锅炉运行、试验工作。

(编辑王夏慧)

Experimental Research on 300 MW Circulating Fluidized Bed Boiler Changing to

Burn Low Ash Content Lignite

CHEN Zhuowei1,SUN Chaofan2, HONG Xibin1, DENG Jianhua2, PENG Zehong2, LI Debo2

(1. Guangdong Yudean Group Cloud River Power Company Ltd., Yunfu, Guangdong 527328, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080,China)

Abstract：In allusion to problems such as high bed temperature, uneven distribution of furnace temperature, insufficient circulating ash quantity of No.5 and No.6 boiler of Guangdong Yudean Group Cloud River Power Company Ltd. in the process of its changing to burn non-design coal Indonesia lignite, which seriously affect safe operation of the boiler, this research develops various combustion optimization experiments under different load working conditions in terms of adjusting grain diameter of furnace coal, air quantity of high pressure fluidizing air, total air quantity, matching of primary and secondary air, matching of up and down secondary air, bed pressure, and so on, which effectively solve a series of problems caused by the boiler changing to burn low ash content Indonesia lignite and make it have considerable economic benefit and broad prospect in application.

Key words：circulating fluidized bed boiler; combustion optimization; air quantity; Indonesia lignite; low ash content; non-design coal

作者简介：

基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目(k-GD2013-0523)

收稿日期：2015-08-12修回日期：2015-10-08

中图分类号：TK229.66

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0017-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.004